简易自来水开关控制电路

大庆石油学院课程设计
2007年8月10日
大庆石油学院课程设计任务书
课程通信电子线路课程设计
题目简易自来水开关控制电路
专业通信工程姓名鄢美玲学号050602140207
主要内容、基本要求、主要参考资料等
主要内容：
利用红外线感应装置设计了一个简易自来水开关控制电路。

能够在人们需要用水的时候，自动打开开关。

并且在打开一段时间后，自动关闭开关，从而起到节约用水的目的。

基本要求：
1)要求电路通过感应装置，在需要用水的时候，自动打开开关。

2)开关打开一段时间后，自动关断开关。

3)要求电路能够调节自来水开关的时间。

4)选定设计方案，画出系统框图，写出详细的设计过程。

5)利用Protel DXP软件画出一套完整的设计电路图，并列出所有的元件清单。

主要参考资料：
[1] 李银华. 电子线路设计指导[M]. 北京：航空航天大学出版社，2005.
[2] 华成英、童诗白. 模拟电子技术基础[M]. 北京：高等教育出版社，2006.
[3] 彭介华. 电子技术课程指导[M]. 北京：高等教育出版社，2004.
完成期限2007、7、30—2007、8、10
指导教师
专业负责人
2007年7月30日
摘要
本设计为一个简易自来水开关控制电路。

通过红外线对人体的或物体的感应能够在人们在需要用水的时候，自动打开自来水开关一段时间后，自动关段开关，从而起到节约用水的目的。

本设计电路有五部分组成，红外线发射电路、红外线接收电路、时间延迟电路、自来水开关电路和电源电路。

红外线发射电路发射光脉冲，实现对人体的感应。

红外线接收电路接收光脉冲并且将光信号转化为电信号，同时对其放大。

时间延迟电路利用但稳态电路的特性，实现对自来水开关打开时间的控制。

自来水开关电路的功能是利用电磁阀作为自来水管的开关，从而可以通过电信号对自来水进行控制。

电源电路的功能是为上述所有电路提供直流电源。

关键词：红外线；光脉冲；电磁阀；直流电源
目录
1.设计要求 (1)
2.方案设计 (1)
2.1系统组成框图 (1)
2.2方案论证 (1)
3.单元电路设计、参数计算和器件选择 (2)
3.1红外线发射电路 (2)
3.2红外线接收电路 (2)
3.3 时间延迟电路 (3)
3.4 自来水开关电路 (3)
3.5 电源电路 (4)
4.电路的工作原理 (4)
5.总结 (5)
6.系统需要的元器件清单 (6)
参考文献 (7)
1.设计要求
设计一个简易自来水开关控制电路。

该电路能够在人们需要用水的时候，通过感应装置自动打开自来水开关，并且在打开一段时间后，自动关段开关，从而起到节约用水的目的。

●要求电路通过感应装置，在人们需要用水的时候，自动打开开关。

●要求电路在大开自来水开关一段时间后，自动关段开关。

●要求电路能够调节自来水开关的时间。

●根据上述要求选定设计方案，画出系统框图，写出详细的设计过程。

●利用Protel DXP软件画出一套完整的设计电路图，并列出所有的元件清
单。

2.方案设计
2.1系统组成框图
简易自来水开关控制电路的总框图如图1所示。

它是由红外线发射电路、红外线接收电路、时间延迟电路、自来水开关电路和电源电路5部分组成的。

图1 简易自来水开关控制电路的总体框图
2.2方案论证
红外线发射电路的功能是利用红外线发光管发射光脉冲，从而实现电路对人体或物体的感应。

红外线接收电路功能是利用对光敏元件接收发射出来的光脉冲，并且将光脉冲信号转化为电信号，同时对其进行放大，时间延迟电路的功能是利用单稳态电路的特性，实现对自来水开关打开时间的控制。

自来水开关电路的功能是利用电磁阀作为自来水管的开关，从而可以通过电信号对自来水进行控制。

电源电路的功能是为上述所有电路提供直流电源。

3.单元电路设计、参数计算和器件选择
3.1红外线发射电路
图2虚线左边电路为红外线发射电路。

该电路的核心器件是红外线发光二极管SE 303.红外线发光二极管由GaAs 的PN 结构成，其发光波段处于可见光波段之外，因此不能在现实中使用，一般仅作为光信号传输之用。

本电路的感应装置一般要求不可见，因此只能采用红外线发光二极管作为感应装置。

红外线发光二极管争相电流不能超出其最大额定值，而作为感应装置则要求其具有较大的光输出。

一般利用其响应速度快的特性，通过脉冲信号去冬来增大光输出。

因此电路前端需要一个脉冲电路，本电路采用的石油NE555集成电路构成的多谐振荡组成。

输出端Q 产生出脉冲信号，其频率f 和占空比q 为：
%3.83)222220/(220)2/(541100)222220(7.0/1)2(7.0/1211121≈Ω⨯+ΩΩ=+=≈Ω⨯+Ω=+=k k k R R R q Hz F k k C R R f μ %3.83)222220(20
)2/(211≈Ω⨯+Ω=+=k k R R R q 这样输出端Q 输出脉冲信号来控制红外线发光二极管发射光脉冲，二极管D1起保护红外线发光二极管的作用。

图2 红外线发射电路和红外线接收电路
3.2红外线接收电路
图2虚线右边电路为红外线接收电路。

该电路包含两部分：一是红外线接收电路；二是信号放大电路。

红外线接收电路实际上就是一个硅光电池2CR21。

硅光电池的原理是通过硅PN 结的光伏效应，使其具有按照光信号的强度产生出对应电信号的特性，这成为光敏器件。

硅光电池的输出特性分为恒流区和恒压区，即其短路电流与光强度成正比，其开路电压随光强度按指数规律变化，由于其电流和光强度是线性关系，一般采用产生短路电流的方式来接收光信号。

硅光电池2CR21的输出信号是一个十分微弱的信号，为了使后续能够对光强信号进行处理，因此需要加入信号放大电路。

图2虚线右边所示电路为信号放大电路。

该电路是由电阻R1-R4、T1、T2和C2（100nF）、C3（0.01uF）构成，电路采用了双三极管构成放大电路，这样就可以使得电路的放大倍数比单管放大电路的放大倍数增加B倍，从而得到更合适的信号。

R1（220k）和R（22k）为放大电路的集电极偏置电阻，C2（22nF）和C3（22nF）为放大电路的滤波电容。

R1为放大电路的反馈电阻，其功能是保证放大电路有一个稳定的静态工作点和稳定的输出电压V1。

3.3时间延迟电路
图3种虚线左边所示电路为时间延迟电路。

该电路主要有两部分构成：一是整流和滤波电路；二是由NE555集成电路构成的单稳态电路。

前端电路输出电压V1首先经过二极管D1和D2整流，在经过电容C1(0.1uF)滤波，则在NE555集成电路的TRIG端产生了触发电平信号。

当接收到红外线脉冲时，前端电路输出电压V1件有整流和滤波在TRIG端产生一个高电平信号，由NE555集成电路构成的单稳态电路特性可知，输出端Q输出低电平；当由于人体或者物体的阻隔，没有接收到红外线脉冲时，前端电路没有输出电压V1，则TRIG端输入为零，单稳态电路接收到触发信号，输出端Q输出为高电平并保持一段时间。

延迟时间由可变电阻R2(1K)和电容C2(470uF)的数值决定，通过调节可变电阻的大小，可以改变延迟时间的长短。

图3 时间延迟电路和自来水开关电路
3.4自来水开关电路
由于电磁阀通过的是大电流、大功率，而直流电源一般无法提供很大的电流和功率，因此电磁阀需要交流供电，从而电路中的开关需要采用继电器电路。

而一般NE555集成电路的输出电流无法驱动继电器，因此需要加入电流放大电路。

如图3虚线右端为电流放大电路，三极管T1构成的电流防大电路是一种比较典型和简单的电路。

继电器连接T1的集电极，当有电流驱动时，开关吸和，电磁阀通电，自来水流出；当无电流驱动时；开关断开，电磁阀不通电，没有自来水流出，同时在继电器两端并联一个二极管实现保护。

同时电路中加入发光二极管D3作为显示电路，显示自来水是否流出。

自来水开关中R3(1k)为限流电阻，防止输入电流过大烧毁三极管。

T1为共发射电路，当输出端Q输出高电平时，三机管导通饱和，将输入电流放大B倍；当输出端Q输出低电平时，三极管截止，无电流通过。

3.5电源电路
电源电路的设计可以采用两种方法来实现：第一种方法是采用电池供电,需要注意的问题是选择合适电池的指标参数与电路相匹配；第二种方法如图4所示电路。

电路直接从电网供电，通过变压器电路、整流电路、滤波电路和稳压电路将电网中的220V交流电路转换为+12V直流电压。

电路中的变压器采用常规的贴心变压器，整流电路采用二极管桥式整流电路，C1(470nF)、C2(0.1uF)、C3(47uF)和C4(0.1uF)完成滤波功能，稳压电路采用三端稳压集成电路来实现。

图4 电源电路
4.电路的工作原理
简易自来水开关控制电路的总电路图如图5所示。

该电路有红外线发射电路、红外线接收电路、时间延迟电路、自来水开关电路和电源电路5部分构成的。

红外线发射电路的功能是利用红外线发光管发射光脉冲,从而实现电路对人体或物体的感应。

红外线接收电路功能是利用对光敏元件接收发射出来的光脉冲，并且将光脉冲信号转化为电信号，同时对其进行放大，时间延迟电路的功能是利用单稳态电路的特性，实现对自来水开关打开时间的控制。

自来水开关电路的功能是利
用电磁阀作为自来水管的开关，从而可以通过电信号对自来水进行控制。

电源电路的功能是为上述所有电路提供直流电源。

图5 简易自来水开关控制电路的总电路图
5.总结
本设计利用红外线感光原理，设计了一个自来水开关控制电路。

能够在人们需要用水的时候，自动打开开关。

并且在打开一段时间后，自动关闭开关，从而起到节约用水的目的。

本次设计为一个简单的电路，参数设计不够详尽。

由于所学知识和时间的限制没能够深入全面地研究，也没有考虑到制作的成本问题。

望今后有想在这方面研究的人员能够再此基础上更加深入全面地思考下。

创新的设计就应该本着先进、方便、低成本的原则，本设计简易自来水开关控制电路自动打开自动关断开关的功能，起到了节约用水的目的，为社会节约了能源，带来了财富。

6.系统需要的元器件清单
表1 元器件清单
通信电子线路课程设计（报告）
参考文献
[1] 李银华. 电子线路设计指导[M]. 北京：航空航天大学出版社，2005.
[2] 孙肖子. 电子线路基础[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，2002.
[3] 彭介华. 电子技术课程指导[M]. 北京：高等教育出版社，2004.
[4] 华成英、童诗白. 模拟电子技术基础[M]. 北京：高等教育出版社，2006.
[5] 藏铁钢. Protel DXP电路设计与应用[M]. 北京：中国铁道出版社，2006.
大庆石油学院课程设计成绩评价表
指导教师：年月日。